基于射頻識別的無線裝定系統(tǒng)的研究

任志華，李永紅，岳鳳英

（中北大學信息與通信工程學院，山西太原 030051）

在高新技術產業(yè)飛速發(fā)展的今天，現(xiàn)代戰(zhàn)爭對作戰(zhàn)武器的要求越來越高，功能單一的武器已經不能滿足當今時代的要求，因此發(fā)明新型具有更強殺傷力，更高精確度，更快速度的武器成為了迫切需求。從火控系統(tǒng)快速準確的將信息裝定到艦炮彈藥引信，成為了新型的課題。在分析了目前已有的國內外裝定技術基礎上，本文提出了一種新型的基于RFID的無線裝定系統(tǒng)的設計。通過裝定器和裝定接收模塊的微控制器來控制閱讀器和應答器芯片以及發(fā)送天線和接收天線來完成裝定信息的傳送。

1 無線裝定系統(tǒng)模型

無線裝定系統(tǒng)相當于一個傳輸信息的通道，因此可以把其抽象為一個典型的數(shù)字通信系統(tǒng)模型。如圖1所示，該模型由信息源、數(shù)字信道和受信者三部分組成［1］。對于無線裝定系統(tǒng)來講，信源包括信息源和信源編碼，它是系統(tǒng)的信號發(fā)生器，信源編碼用來對信息源進行編碼，數(shù)字信道是信息的傳輸路徑，其中包括信道編碼、數(shù)字調制、感應耦合回路、數(shù)字解調、信道譯碼，受信者是整個裝定系統(tǒng)的裝定目標。簡單地說，該裝定系統(tǒng)就是如何讓信源不失真地通過數(shù)字信道到達受信者的過程。

圖1 無線裝定系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)模型

2 裝定技術分析

通過對一系列裝定系統(tǒng)的分析可知，要完成無線裝定系統(tǒng)的設計，從理論上需要解決兩個方面的關鍵技術。

（1）無線通信技術:因為裝定器和裝定接收模塊的單片機之間要進行通信，必須按照通信協(xié)議才能進行［2］，所以在裝定數(shù)據(jù)編碼方式選擇、數(shù)字調制和解調方式選擇以及數(shù)據(jù)校驗方式選擇上比較重要。該裝定系統(tǒng)的信源編碼采用數(shù)字基帶傳輸，選用NRZ編碼，這種編碼方式速度快、精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，可以保證地面設備給彈上設備提供足夠的能量。同時基帶信號在無線信道中傳輸，還必須對數(shù)字信號進行調制和解調［3］。因此本文選用2FSK調制和非相干解調實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。為了提高系統(tǒng)可靠性，在RFID系統(tǒng)中引入了具有良好差錯控制功能的CRC校驗［4］，裝定接收裝置返回的數(shù)據(jù)經過校驗后通過RF返回給裝定器，并且通過上位機軟件顯示結果正確與否，如果正確，顯示“CRC OK!”如果不正確，則顯示“CRC Failed!”。

（2）無線供電技術:根據(jù)RFID基本原理，裝定器和裝定接收模塊之間的能量有兩部分的作用:一部分用于應答器和閱讀器之間的通信，另一部分用于給整個接收裝置工作供電。閱讀器和應答器之間的通信所需能量可由閱讀器來提供，但裝定接收模塊所需能量必須想辦法解決。通過做大量的研究，本文設計了專門的無線供電模塊來給裝定接收模塊提供能量。因為本文的裝定過程發(fā)生在彈藥裝填過程中，屬于發(fā)射前裝定，而此時炮彈引信為無源的，這就給裝定技術帶來一個新的難題，即需要通過無線的方式給接收裝置供電，才能很好地完成裝定。這個問題將在后面做一介紹。

3 裝定系統(tǒng)整體結構設計

根據(jù)系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，該無線裝定系統(tǒng)由無線通信模塊和無線供電模塊組成。無線通信模塊使用了RFID原理，通過電磁感應的方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。無線供電模塊使用了Zigbbe通信原理，通過發(fā)送電磁波來給整個接收裝置提供能量。選用 TI公司的單片機 MSP430F249和MSP430F2274分別作為裝定器和裝定接收裝置的核心控制芯片，對該裝定系統(tǒng)的功能模塊進行控制，使用RS422總線實現(xiàn)火控系統(tǒng)與裝定器之間的全雙工通訊。

系統(tǒng)的有序進行都是在核心控制器的控制下完成的。系統(tǒng)上電后，在單片機MSP430F249的控制下，對各個功能模塊進行初始化，初始化完成之后，單片機等待鍵盤輸入指令，或者火控系統(tǒng)發(fā)送指令，收到指令后，首先對數(shù)據(jù)進行LRC校驗，如果收到的數(shù)據(jù)正確，首先判斷要執(zhí)行什么操作，確定執(zhí)行的操作后，將數(shù)據(jù)字節(jié)通過相應引腳傳送給閱讀器，閱讀器將數(shù)據(jù)字節(jié)通過RF發(fā)送給應答器，應答器執(zhí)行操作后，將返回的數(shù)據(jù)回傳給閱讀器，閱讀器收到數(shù)據(jù)后，在此過程中MSP430F249一直檢測相應引腳電平的變化，當檢測到相應引腳有起始信號時，控制同步接收閱讀器返回的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)打包處理后，通過相應引腳傳到液晶顯示器顯示出來。系統(tǒng)整體結構框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體結構框圖

4 無線供電模塊設計

為了通信穩(wěn)定，并且縮短通信時間，系統(tǒng)設計了無線供電模塊，如圖3所示，用來提供裝定接收裝置工作所需的能量。無線供電模塊使用電磁波能量可以通過天線發(fā)送和接收的原理設計而成，使用微控制器MSP430F2274單片機來控制發(fā)送器進行工作，它們之間通過SPI接口進行通信。微控制器控制發(fā)送器持續(xù)不斷的發(fā)送電磁波，供電接收模塊將接收到的電磁波通過供電接收電路轉換成電壓，來給整個裝定接收裝置提供電壓。

圖3 無線供電模塊設計圖

5 系統(tǒng)模擬仿真分析

無線裝定系統(tǒng)的主要功能就是通過無線通信的方式將火控系統(tǒng)發(fā)送的指令成功地傳給炮彈單片機，因此，為了方便調試，本文使用VC［6］設計了專門的裝定模塊仿真軟件，用它來模擬火控系統(tǒng)的功能，給閱讀器單片機發(fā)送相關指令。使用該軟件可以通過接口發(fā)送相關命令，接收端應答器收到指令后，MSP430F2274從XX應答器中讀取數(shù)據(jù)，然后通過串口將數(shù)據(jù)傳送給客戶端單片機，客戶端單片機接收到數(shù)據(jù)后，將要返回的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給 MSP430F2274，然后MSP430F2274將數(shù)據(jù)寫入應答器，應答器通過RF將數(shù)據(jù)傳送給閱讀器，閱讀器將數(shù)據(jù)返回給裝定器單片機MSP430F249，裝定器單片機MSP430F249通過串口將數(shù)據(jù)返回到PC機，然后通過該仿真軟件將數(shù)據(jù)顯示出來。

5.1 串口設置

單擊菜單欄配置，打開串口設置界面，在此界面內可以對串口進行相關配置。具體配置介紹如下:選擇串口號COM2，設置波特率9 600 bit/s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗位，并且可以設置定時發(fā)送操作。

5.2 無線通信/測試部分

菜單欄中選擇無線通信/測試，打開仿真軟件的主界面，可以看到上面為無線通信部分，下面為測試部分，目前該部分還沒有完善，只是預留出了選項，今后還需做進一步完善。本文裝定系統(tǒng)只用無線通信部分即可進行仿真。無線通信部分可以用來檢測閱讀器和應答器是否正常通信，還可以用來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。無線通信部分有兩個選項，分別為“連接”和“發(fā)送數(shù)據(jù)”。首先點擊“連接”以檢查裝定器和接收裝置是否正常連接，如果顯示“CRC OK!”這說明裝定接收裝置在裝定器的射頻范圍內，可以進行正常裝定;然后開始執(zhí)行裝定功能，在發(fā)送后面的對話框內輸入要發(fā)送的字節(jié)數(shù)據(jù)，點擊發(fā)送，數(shù)據(jù)可以通過裝定模塊仿真軟件中的RX選項顯示出來。

5.3 系統(tǒng)仿真界面

圖4所示為裝定系統(tǒng)執(zhí)行裝定功能時界面。執(zhí)行裝定功能時，系統(tǒng)發(fā)送了十七個字節(jié)的數(shù)據(jù)，其中幀格式結構中包括一個起始字節(jié)，一個長度字節(jié)（不含起始字節(jié)、長度字節(jié)和LRC校驗字節(jié)），一個命令字節(jié)，兩個充電時間長度字節(jié)，一個射頻發(fā)送字節(jié)長度字節(jié)，一個地址字節(jié)，六個數(shù)據(jù)字節(jié)，兩個CRC校驗字節(jié)，一個LRC校驗字節(jié)，還有一個停止字節(jié)。從圖可以看到，系統(tǒng)接收到的字節(jié)數(shù)為十五個，幀格式結構包括一個前導固定字節(jié)，一個長度字節(jié)，一個默認字節(jié)，一個起始字節(jié)，六個數(shù)據(jù)字節(jié)，一個地址字節(jié)，兩個CRC校驗字節(jié)，一個停止字節(jié)。由此可知，該裝定接收裝置在裝定器的射頻范圍內，可以很好地完成裝定功能。

圖4 裝定數(shù)據(jù)窗口

圖5所示為裝定系統(tǒng)仿真過程中，另一臺PC機通過串口助手顯示出來的接收端收到的數(shù)據(jù)字節(jié)。為了驗證系統(tǒng)的可靠性，我們讓裝定仿真軟件采取定時發(fā)送的方式，每隔500ms發(fā)送一次，一共通信2526次，誤碼率為0%。這說明該裝定系統(tǒng)通信在滿足一定條件時工作穩(wěn)定可靠。

圖5 裝定系統(tǒng)串口調試界面

6 結論

本文詳細介紹了基于RFID的無線裝定系統(tǒng)的設計，完成了系統(tǒng)整體結構和無線供電模塊的設計以及系統(tǒng)仿真調試軟件的詳細過程，一套原理樣機已經基本完成，雖然還沒進行最后的工程化試驗，但是通過與客戶端聯(lián)調，可以充分驗證本裝定系統(tǒng)功能完善，工作可靠、穩(wěn)定，該系統(tǒng)基本達標。

［1］樊昌信，曹麗娜.通信原理［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2010:2-6.

［2］吳路寧.引信彈鏈感應裝定技術研究［D］.太原:中北大學，2009:15-20.

［3］李翠華.基于SystemView的16QAM調制與解調［J］.科技廣場.2009（3）:46-47.

［4］單承贛，單玉峰，姚磊，等.射頻識別原理與應用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008:2-15.

［5］UCC27424 datasheet［Z］.2004.

［6］孫鑫，余安萍.VC++深入詳解［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.